비싼 서멀 패드로 바꿨는데 정션 온도가 오히려 오릅니다. 열전도율(k) 숫자만 보고 고른 결과입니다.
LED 열설계 글에서 정션 온도가 열저항의 합으로 정해진다는 걸 봤습니다. 그 열저항 사슬에서 **TIM(Thermal Interface Material)**과 히트싱크는 설계자가 직접 고르는 두 부품입니다. 그런데 이 둘을 고를 때 가장 많이 하는 실수가 “숫자가 크면 좋다”는 생각입니다.
💡 이 글은 광학 시리즈 5단계 열과 신뢰성의 세 번째 글입니다. 정션온도와 열저항, 광속유지율과 수명에서 다룬 “온도를 낮춰야 하는 이유”를 실제로 “어떻게 낮추는가”로 연결합니다.
🧱 TIM – 열전도율보다 두께가 먼저다
TIM의 열저항은 세 가지로 정해집니다.
Rth = BLT ÷ (k × A)
BLT : 접합 두께 (Bond Line Thickness)
k : 열전도율 (W/mK)
A : 접촉 면적
여기서 실무자들이 자주 놓치는 게 있습니다. 분자에 있는 BLT(두께)가 분모의 k(열전도율)만큼, 때로는 그 이상으로 결과를 좌우합니다.
저가 그리스 : k = 1.5 W/mK, 두께 50㎛ → Rth = 0.333 ℃/W
프리미엄 패드 : k = 12 W/mK, 두께 2mm → Rth = 1.667 ℃/W
열전도율이 8배 높은 프리미엄 패드가, 저가 그리스보다 열저항이 5배 더 나쁩니다. 두께가 40배 두껍기 때문입니다. 카탈로그의 k값만 비교하고 “더 좋은 걸 샀다”고 착각하기 쉬운 지점입니다.
⚠️ k값은 절반의 정보입니다. 데이터시트에서 반드시 **BLT(또는 권장 압축 두께)**를 함께 확인하세요. k만 적혀 있고 두께가 없다면 실제 성능을 판단할 수 없습니다.
🗂️ TIM의 종류 – 성능과 작업성의 맞바꿈
| 종류 | 두께(BLT) | 특징 |
|---|---|---|
| 서멀 그리스 | 25~75㎛ | 가장 얇고 열저항이 낮음. 도포·경화 관리 필요, 펌프아웃 위험 |
| 상변화 물질(PCM) | 50~100㎛ | 상온에선 고체 필름, 열을 받으면 녹아 흘러 틈을 채움 |
| 서멀 에폭시 | 얇음 | 접착까지 겸함. 최고 성능 제품은 0.15 K·cm²/W 수준. 재작업 어려움 |
| 서멀 패드(갭필러) | 0.5~5mm | 단차를 메움. 취급 쉬움. 두꺼운 만큼 열저항 불리 |
그리스와 PCM은 “이미 평탄한 면”을 위한 재료입니다. 틈을 메우는 용도가 아니라 미세한 요철 사이 공기를 밀어내는 역할이라, 두께가 원래 얇습니다.
패드와 갭필러는 “부품 높이가 제각각인” 상황을 위한 재료입니다. LED와 기구 사이 공차를 흡수해야 하니 두꺼울 수밖에 없고, 그만큼 열저항에서 손해를 봅니다.
💡 PCM은 상온에서 그리스보다 다루기 쉽습니다. 필름 형태라 정렬과 취급이 간단하고, 가열되면 흘러서 표면에 밀착됩니다. 그리스의 저열저항과 패드의 작업 편의성 사이 절충안으로 쓰입니다.
🔌 전기 절연이 필요한 경우
방열판이 전기적으로 다른 전위에 있거나 절연이 필요하다면, 절연형 TIM(세라믹 필러 실리콘 등)을 써야 합니다. 절연이 필요 없고 방열판이 접지되어 있다면 전기 전도성 TIM이 열저항 면에서 유리할 수 있습니다.
🌬️ 히트싱크 – Rth 숫자 뒤에 숨은 조건
히트싱크 카탈로그의 “Rth = 2.5℃/W” 같은 값은 특정 조건에서 측정한 값입니다. 조건이 바뀌면 실제 성능은 크게 달라집니다.
① 냉각 방식 – 자연대류 vs 강제대류
핀 사이 간격이 너무 좁으면 자연대류에서는 오히려 성능이 나빠집니다. 인접한 핀 사이에서 열 소용돌이가 생겨 공기 흐름을 방해하기 때문입니다. 한 특허 자료는 자연대류 조건에서 핀 간격 3.3~4.5mm를 예시로 제시합니다.
강제대류(팬 사용)는 훨씬 좁은 간격을 쓸 수 있습니다. 팬이 공기를 억지로 밀어넣으므로 소용돌이 문제가 줄고, 같은 부피에 더 많은 핀(더 넓은 표면적)을 넣을 수 있습니다.
⚠️ 강제대류라고 무조건 좁게 만들면 안 됩니다. 핀 사이 경계층이 겹칠 정도로 좁아지면 오히려 열이 갇혀 성능이 급격히 나빠집니다.
② 설치 방향 – 수직 vs 수평
자연대류는 뜨거운 공기가 위로 올라가는 부력에 의존합니다. 핀을 수평으로 눕히면(천장 부착형 조명 등) 이 부력 효과가 줄어들어 냉각 효율이 25~40% 낮아진다는 보고가 있습니다.
카탈로그 Rth는 대부분 핀이 수직인 표준 자세에서 측정됩니다. 천장 부착형이나 벽부형이라면 카탈로그 값보다 여유 있게 설계해야 합니다.
③ 기구 환경 – 개방 vs 매입
카탈로그 시험은 대개 열린 공간에서 이뤄집니다. 매입형이나 밀폐 기구에 넣으면 주변 공기 자체가 데워져 있어 성능이 떨어집니다. 열설계 글에서 계산했던 “밀폐 기구 주위 45℃” 조건이 여기 해당합니다.
④ 표면 처리 – 아노다이징
대류가 전체 방열의 70~90%를 차지하고, 복사는 보통 5~10% 수준입니다. 그런데 공기 흐름이 거의 없는 밀폐형·자연대류 조명에서는 복사가 무시할 수 없는 비중을 차지합니다.
아노다이징(특히 흑색)은 표면 방사율을 0.85 수준까지 끌어올립니다. LED 조명에는 거의 필수적으로 적용되는 이유입니다. 다만 강제대류가 강한 시스템에서는 이 효과가 상대적으로 작습니다.
🧮 실제로 비교해보기 – TIM 종류에 따른 정션 온도
바 조명 사례(발열 36.5W, 모듈 접촉 면적 200×20mm)로 TIM만 바꿔가며 계산해봤습니다.
| TIM 종류 | Rth_TIM | 정션 온도 | 온도 차이 |
|---|---|---|---|
| 서멀 그리스 (50㎛) | 0.004 ℃/W | 73.5℃ | 기준 |
| PCM (75㎛) | 0.006 ℃/W | 73.6℃ | +0.1℃ |
| 서멀 패드 0.5mm | 0.042 ℃/W | 74.9℃ | +1.4℃ |
| 서멀 패드 2.0mm | 0.167 ℃/W | 79.4℃ | +5.9℃ |
⚠️ 위 계산은 접촉 면적이 넓은 모듈 기준입니다. 소형 단일 LED처럼 접촉 면적이 작으면(예: 10×10mm), TIM 선택에 따른 온도 차이가 훨씬 커집니다. 면적이 좁을수록 TIM 두께의 영향이 큽니다.
같은 발열량, 같은 히트싱크인데 TIM 선택만으로 최대 6℃ 가까이 차이가 납니다. 수명 글에서 본 아레니우스 관계를 적용하면, 이 정도 온도 차이도 수명에 누적 영향을 줍니다.
🛠️ 실무 선택 순서
1. 접촉면의 평탄도를 먼저 확인하세요
평탄하고 압력을 충분히 줄 수 있다면 그리스나 PCM으로 최소 두께를 노리세요. 부품 높이 편차가 있다면 패드나 갭필러로 그 편차를 흡수해야 합니다. 평탄한 면에 두꺼운 패드를 쓰는 것도, 단차가 있는 곳에 그리스만 바르는 것도 둘 다 손해입니다.
2. 히트싱크는 실사용 조건으로 판단하세요
카탈로그 Rth를 그대로 믿지 말고, **설치 방향(수평/수직)과 기구 환경(개방/매입)**을 반영해 여유를 두세요. 앞서 본 것처럼 방향만으로 25~40% 차이가 날 수 있습니다.
3. 양산성과 성능을 함께 보세요
그리스는 도포 균일성 관리가 필요하고 재작업이 번거롭습니다. 대량 생산이라면 갭 필러나 PCM처럼 취급이 일정한 재료가 실제 수율에서 유리할 수 있습니다. 프로토타입에서 그리스로 검증한 뒤 양산에서 패드로 바꾸면, 반드시 열 성능을 재검증해야 합니다.
4. 하이브리드도 검토하세요
발열이 집중되는 LED 바로 아래만 열전도율이 높은 소재(구리 슬러그 등)를 넣고, 나머지 넓은 면적은 저렴한 알루미늄 핀으로 채우는 방식이 비용과 성능의 절충점이 될 수 있습니다.
❓ 자주 하는 오해 3가지
오해 1. “열전도율(k)이 높으면 무조건 좋다” → k는 재료의 성질일 뿐입니다. 실제 열저항은 두께로 나눈 값이라, 두꺼운 고k 제품이 얇은 저k 제품보다 나쁠 수 있습니다. 항상 BLT와 함께 봐야 합니다.
오해 2. “히트싱크 크기가 크면 무조건 좋다” → 자연대류에서는 핀 간격이 너무 좁으면 오히려 나빠집니다. 또 수평으로 설치하면 같은 히트싱크도 성능이 크게 떨어집니다. 크기가 아니라 설치 조건에 맞는 형상이 중요합니다.
오해 3. “TIM은 다 거기서 거기다” → 접촉 면적이 좁은 소형 LED에서는 TIM 선택이 전체 열저항의 상당 부분을 차지할 수 있습니다. 특히 COB나 고밀도 실장에서는 TIM 하나 바꾸는 것만으로 정션 온도가 여러 도 차이 납니다.
✅ 한눈에 정리
| 항목 | 핵심 내용 |
|---|---|
| TIM 열저항 | Rth = BLT ÷ (k × A) |
| 핵심 원칙 | 두께가 열전도율만큼 중요하다 |
| 그리스/PCM | 평탄면용, 얇음(25~100㎛), 저항 낮음 |
| 패드/갭필러 | 단차 흡수용, 두꺼움(0.5~5mm), 저항 높음 |
| 절연 필요 시 | 세라믹 필러 실리콘 등 절연형 TIM 선택 |
| 히트싱크 변수 | 냉각 방식, 설치 방향, 기구 환경, 표면 처리 |
| 설치 방향 영향 | 핀 수평 시 수직 대비 25~40% 저하 보고 |
| 표면 처리 | 아노다이징으로 방사율 0.85 수준 확보 |
| 선택 순서 | 평탄도 확인 → 실사용 조건 반영 → 양산성 검토 |
🎯 오늘 바로 확인해볼 것
- 현재 사용 중인 TIM의 데이터시트에서 **열전도율과 함께 BLT(권장 두께)**를 확인하세요. k값만 보고 골랐다면 재검토가 필요합니다.
- 히트싱크가 천장이나 벽에 수평으로 설치되는지 확인하세요. 그렇다면 카탈로그 Rth보다 여유를 두어야 합니다.
- 접촉 면적이 좁은 소형 LED를 쓰신다면, 열설계 글의 역산 공식으로 TIM 선택에 따른 온도 차이를 직접 계산해보세요.
- 밀폐형 기구라면 히트싱크가 아노다이징 처리되어 있는지 확인하세요. 공기 흐름이 없는 환경에서는 복사 방열의 비중이 커집니다.
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